Появление надежных турбовинтовых двигателей, экономические характеристики которых превосходили аналогичные показатели турбореактивных, позволяя при этом получить высокие значения летно-технических параметров и требуемую пассажировместимость самолета, открывало новые возможности для создания еще более совершенных пассажирских машин. Поэтому параллельно с работами по реактивному Ил-16 (см. «АиК» №10/2014 г.) в ОКБ велись проработки еще одного самолета с турбовинтовыми двигателями, получившего имя своего предшественника Ил-18. В мае 1955 г. вышло постановление Правительства о создании этой машины с четырьмя турбовинтовыми двигателями Н.Д. Кузнецова НК-4 , имеющими взлетную мощность по 4000 э.л.с., и сроком предъявления на государственные испытания в октябре 1957 г. Самолет предназначался для перевозки на высоте 8000 м 75 пассажиров и 4000 кг груза на дальность 3000 км с крейсерской скоростью до 650 км/ч. Одновременно предлагалось обеспечить использование самолета в непредвиденных ситуациях для посадочного десантирования 100 человек десанта или перевозки 70 раненых на носилках. Эскизный проект Ил-18 был утвержден С. В. Ильюшиным в августе 1956 г. Рабочее проектирование самолета и его постройка на опытном производстве при участии завода №30 начались почти одновременно. Особое внимание при разработке документации и на производстве обращалось на достижение высокой степени безопасности полета и комфорта пассажиров, на максимально возможное снижение эксплуатационных расходов и повышение экономической эффективности его эксплуатации. Не изменяя своей ранее высказанной позиции Главный конструктор требовал, чтобы стоимость полета на этом самолете не отличалась от стоимости железнодорожного билета при поездке на одинаковое расстояние. Конструкция самолета по сравнению со своим прототипом с целью повышения надежности претерпела целый ряд изменений, коснувшихся всех систем, оборудования и отдельных агрегатов. Предполагалась установка современных надежных автоматических систем пилотажно-навигационного и радиоэлектронного оборудования, обеспечивавших успешную летную и наземную эксплуатацию самолета в сложных метеорологических условиях. Впервые на отечественном пассажирском самолете устанавливалась автоматическая пилотажная система, позволяющая уверенно осуществлять самолетовождение на всех этапах полета. Повышенное внимание при проектировании обращалось на надежность систем электроснабжения, пожаротушения и противообледенительных устройств, имеющих надежное дублирование.
В июне 1957 г. после окончания постройки на Центральном аэродроме состоялся показ новой опытной машины руководителям партии и правительства во главе с Н.С. Хрущевым, во время которого первый секретарь МГК КПСС Е.А. Фурцева предложила дать самолету собственное имя – «МОСКВА». 4 июля Ил-18 впервые взлетел в воздух с Центрального аэродрома Москвы и, выполнив над зданием ОКБ вираж, улетел на базу в г. Жуковский. Последовавшая за этим целая серия демонстраций самолета руководителям государств, авиационным специалистам и сотрудникам дипломатического корпуса, в которых кроме Ил-18 участвовали и появившиеся пассажирские машины ТУ-114 «РОССИЯ» и АН-10 «УКРАИНА», свидетельствовала о большом интересе к новым советским пассажирским самолетам. Однако первые же полеты опытной машины выявили наличие значительного шума и вибраций в пассажирской кабине в зоне воздушных винтов двигателей, для устранения которых в ОКБ была осуществлена перекомпоновка пассажирской кабины с одновременным увеличением количества посадочных мест с 75 до 89 и усилена существующая звукоизоляция. Заводские летные испытания опытной машины завершились в марте 1958 г.
Но еще 26 октября в воздух поднялся первый серийный Ил-18 с четырьмя двигателями НК-4 с увеличенной до 61200 кг взлетной массой и новой компоновкой, рассчитанной на на 89 пассажиров. Самолеты этой модификации, ставшей первой в дальнейшем ряду различных доработок и изменений, получили обозначение Ил-18А. Выявленная в процессе их эксплуатации недостаточно надежная работа двигателей НК-4 и особенно установленной на них автоматики, управляющей положением лопастей воздушного винта, привела к необходимости их замены на более надежные двигатели АИ-20. Дело в том, что изменение тяги воздушного винта поршневого двигателя, достигаемое изменением числа оборотов его коленчатого вала, в турбовинтовом двигателе происходит путем изменения шага его лопастей при неизменной скорости вращения. Автомат тяги, осуществляющий эту функцию и влияющий на безопасность полета должен быть абсолютно надежным агрегатом. Поэтому в июле 1958 г. вышло постановление правительства о замене двигателей НК-4, установленных на всех ранее выпущенных самолетах Ил-18А, на двигатели АИ-20 конструкции А.Г. Ивченко.